Тепловые действия электротоков: формула

Тепловые действия электротоков: формулаПередача электричества во время движения тока в другую энергию происходит на молекулярном уровне. Во время подобного процесса температура проводника повышается на определенную величину. Тепловой закон Джоуля-Ленца описывает данное явление взаимодействия атомов и ионов токопроводника с электронами тока.Тепловые действия электротоков: формула

Свойства электроэнергии

Во время движения по проводнику из металла наблюдается сталкивание электронов с множеством хаотично расположенных посторонних частиц. Периодически в результате соприкосновения из нейтральной молекулы выделяются новые электроны.

Происходит образование из молекулы положительного иона, а в электроне пропадает кинетическая энергия. Иногда встречается и второй вариант – образование молекулы нейтрального вида благодаря соединению положительного иона и электрона.

Все эти процессы сопровождаются расходованием определенного количества энергии, превращающейся далее в тепло. Преодоление сопротивления в ходе всех этих движений определяет затраты энергии и превращение работы, необходимой для этого, в тепло.

Параметры R идентичны показателям стандартного сопротивления. В той или иной степени в тепло преобразуется какой-то объем энергии при прохождении тока через любой проводник. Именно такое превращение рассматривается законом Джоуля-Ленца.

Формула и ее составляющие

Переход во внутреннюю энергию проводника результатов работы тока подтвержден многочисленными опытами. После накопления критического объема выполняется отдача избытка энергии окружающим телам с нагреванием проводника.

Классическая формула расчетов для данного явления:

A=U*I*t

Тепловые действия электротоков: формула

В схемах с последовательным соединением для расчетов использование этой основной формулы будет самым удобным методом. В этом случае во всех проводниках сила тока всегда остается одинаковой. Выделенный объем тепла пропорционален сопротивлению каждого из имеющихся проводников.

А вот при параллельном подключении одинаковым будет напряжение на концах, а номинальное значение электротока в каждом элементе существенно отличается. Можно утверждать, что имеется обратная пропорциональность между количеством теплоты и проводимостью отдельно взятого проводника. Здесь более уместной становится формула:

Q = (U2/R)t

Практические примеры явления теплового действия тока

Многие исследователи и ученые занимались изучением особенностей протекания электричества. Но наиболее впечатляющие результаты получили российский ученый Эмилий Христианович Ленц и англичанин Джеймс Джоуль.

Независимо друг от друга был сформулирован закон, с помощью которого производилась оценка получаемого в процессе действия электричества на проводник тепла. Итоговое выражение получило название в честь его авторов.

На нескольких примерах можно уяснить природу и характеристики теплового воздействия тока.

Обогревательные приборы

Функцию нагревания в конструкции подобных устройств выполняет металлическая спираль. При необходимости нагрева воды важно соблюсти баланс между параметрами сетевой энергии и тепловым обменом. Установка спирали выполняется изолировано.

Тепловые действия электротоков: формула

Различными способами решаются задачи по минимизации потерь энергии. Один из вариантов – повышение напряжение, но он чреват снижением уровня эксплуатационной безопасности линий.

Применяется и методика подбора проводов, потери тепла в которых зависят от свойств различных металлов и сплавов. Изготовление спиралей выполняется из предназначенных для работы с высокими нагрузками материалов.

Лампа накаливания

Открытие закона Джоуля-Ленца способствовало быстрому прогрессу электротехники. Особенно показательным остается пример его использования для осветительных элементов.

Внутри подобной лампочки протягивается нить из вольфрама. Весь процесс основан на высоком удельном сопротивлении и тугоплавкости этого металла.

Трансформация энергии в тепловую вызывает эффект нагревания и свечения спирали. Минусом всегда остается расходование основного объема энергии на нагревание, а само свечение выполняется за счет ее небольшой части.

Для более точного понимания данного процесса вводится такое понятие, как коэффициент полезного действия, с помощью которого определяется эффективность рабочего процесса.

Электрическая дуга

В этом случае мы говорим о мощном источнике света и способе сваривания конструкций из металла.

Принцип протекания подобного процесса – подключение к паре угольных стержней источника тока большой мощности и минимального напряжения с последующим контактом этих элементов.

Бытовые предохранители

Для обеспечения безопасности при использовании электроцепей применяются специальные устройства. Главным элементом в таких предохранителях будет легкоплавкая проволока. Она вкручена в фарфоровом корпусе, который вставляется в патрон.

Являясь частью общей цепи, такой проводник при резком возрастании выделения тепла плавится и размыкает сеть.

Физика 8 класс: закон Джоуля-Ленца

Подробное изучение прохождения электричества по проводнику и происходящего при этом нагревания изложено в школьной программе. На практических примерах показаны все нюансы, влияющие на величину теплового действия тока.

План проведения учебного занятия обычно строится по следующей схеме:

  1. Необходимые, для демонстрации зависимости объема тепла от сопротивления и силы тока, опыты.
  2. Детальное изучение закона Джоуля-Ленца, его основной формулы и значения всех ее составляющих.
  3. Исторические факты, исключающие вероятность плагиата со стороны обоих авторов.
  4. Подведение общих итогов урока.
  5. Практическое применение для выполнения расчетов.
  6. Решение задач на основе полученной информации.

Закрепление материала происходит во время выполнения домашних заданий по оценке количества тепла, выделяемого в ходе протекания тока по проводнику с обозначенными параметрами.

Источник: https://uelektrika.ru/osnovy-yelektrotekhniki/teplovoy-zakon-dzhoulya-lenca/

Количество теплоты, выделяемое проводником с током — урок. Физика, 8 класс

Проходя по проводнику, ток может оказывать некоторые действия: тепловое, химическое и магнитное (подробно об этом можно почитать в (7) теме). Вспомним, с чем связано тепловое действие тока.

Оно объясняется тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, кислот, щелочей, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию.

В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводника увеличивается. Например, спираль лампочки раскаляется до такой температуры, что начинает излучать свет.

Тепловые действия электротоков: формула

Нагретый проводник отдаёт полученную энергию окружающим телам путём теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течёт ток, равно работе тока, т.е. Q = A, где (А) — работа тока, (Q) — количество теплоты.Работу тока рассчитывают по формуле: A = U⋅I⋅t. Тогда количество теплоты будет определяться по такой же формуле: Q = U⋅I⋅t.

Пользуясь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока (I), сопротивление участка цепи (R) и время (t). Зная, что напряжение U = IR, получим: Q = I2⋅R⋅t.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

К такому же выводу на основании опытов пришли независимо друг от друга английский учёный Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом ДжоуляЛенца.

Тепловые действия электротоков: формула

Джоуль Джеймс Прескотт ((1818—1889)) — английский физик, член Лондонского королевского общества. Он внёс значительный вклад в исследование электромагнетизма и тепловых явлений, в создание физики низких температур, в обоснование закона сохранения и превращения энергии. Именем Джоуля назвали единицу измерения работы и энергии в системе СИ.

Тепловые действия электротоков: формула

Эмилий Христианович Ленц ((1804—1865)) — российский физик и электротехник, академик Петербургской АН ((1830)), ректор Санкт-Петербургского университета (с (1863)) — один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.

Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах.

Состояние сети, когда по проводам и приборам проходит ток больше допустимого значения, называется перегрузкой. Опасность этого явления в тепловом действии тока, ведь при большой перегрузке изоляция проводников легко воспламеняется. Перегрузка может возникнуть при подключении устройств большой мощности через удлинитель (смотри рисунок и никогда так не делай!).

Тепловые действия электротоков: формула

Для примера, перегрузка проводов на (25)% приводит к сокращению срока их службы где-то с (20) лет до (3—5) месяцев, а перегрузка проводов на (50)% — до нескольких часов.

Источники:

Пёрышкин А.В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.

http://www.myshared.ru/slide/93472/  http://electricalschool.info/main/osnovy/1090-zakon-dzhoulja-lenca.htmlhttp://class-fizika.narod.ru/10_7.htmhttp://уроки.мирфизики.рф/%d0%b7%d0%b0%d0%ba%d0%be%d0%bd-%d0%b4%d0%b6%d0%be%d1%83%d0%bb%d1%8f-%d0%bb%d0%b5%d0%bd%d1%86%d0%b0/ http://www.nscience.ru/chemistry/physical/thermodynamics/what_does_thermidynamics_research/http://energetika.in.ua/ru/books/book-2/part-2/section-1/1-2http://to-name.ru/biography/emilij-lenc.htmhttp://mistroim.ru/remont-pomesheniy/elektrichestvo/kakie-neispravnosti-v-elektroseti-mogut-vozniknut/

http://frutmrut.ru/zakon-dzhoulya-lenca

Источник: https://www.yaklass.ru/p/fizika/8-klass/elektricheskie-iavleniia-12351/kolichestvo-teploty-vydeliaemoe-provodnikom-s-tokom-12328/re-fb5fef8e-4cce-40d7-9b54-89f01198bd1a

Урок "Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока"

Тема урока: Тепловое действие тока. Закон

Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока.

  • Цели урока:
  • Разъяснить сущность понятий работа и мощность тока.
  • Обучить обучающихся методу решения задач на расчет количества тепла, выделившейся в проводнике, с целью осознания возможности управления физическими процессами с помощью объектов бытовой техники и техники применяемой при работе по данной профессии.
  • Научить обучающихся измерять параметры реальных технических устройств профессионального назначения и бытового (электроплитки, миксера, кофеварки, электрочайника) проводить расчеты.
  • В процессе урока развивать логическое мышление, интерес к изучаемому предмету.
  • Расширить политехнический кругозор обучающихся.
  • На примере перехода неэлектрических видов энергии в энергию электрического поля в источниках тока и перехода энергии электрического поля в неэлектрические виды энергии в электрических цепях, показать, что энергия в природе не создается и не уничтожается, а только переходит из одного вида энергии в другой.
  • Основные знания и умения

1. Знать и уметь применять в решении задач формулы работы и мощности, закон Джоуля — Ленца.

  1. Уметь рассчитывать стоимость электрической энергии.

  2. Знать практическое применение теплового действия тока.

  1. Тип урока. Комбинированный с применением поурочной карты
  2. Оснащение урока: мультимедийный проектор, презентация, гальванометр, термистор, источник питания, панели с параллельным и последовательным соединением лампочек, лампа накаливания, структурно-логические схемы,
  3. Ход урока.

I. Организационный момент (2 мин.).

П. Актуализация знаний (20 мин.).

1. Определить внутреннее сопротивление источника электрической энергии, э.д.с. которого 12В, если при внешнем сопротивлении 23 Ом сила тока в цепи 0,5 А.

  1. Три источника электрической энергии с э.д.с.

1,1. В и внутренним сопротивлением 0,9 Ом каждый соединены последовательно с разноименными полюсами и замкнуты на внешнюю цепь сопротивлением 3,9 Ом. Определить силу тока в цепи.

3. Дать понятие сверхпроводимости.

  1. Дать понятие работы сторонних сил, э.д.с. Вывести формулу для закона Ома для полной цепи.

  • План изучения нового материала
  • а) понятие работы электрического тока;
  • б) зависимость работы, мощности и количества теплоты от сопротивлениярезисторов при последовательном и параллельном соединении;

в) тепловое действие тока. Закон Джоуля- Ленца.

  1. г) вывод формул мощности электрического тока. Единицы мощности;
  2. д) применение теплового действия в быту и профессиональной деятельности
  3. е) решение компетентностно- ориентированных заданий
Читайте также:  Список изобретений томаса эдисона: от телеграфа до лампочки

III. Изучение нового материала (40 мин.).

а) В электрической цепи происходит ряд превращений энергии. При упорядочном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу. Эту работу принято называть «работой тока».

Вычислить значение работы, совершаемой электрическим полем на произвольном участке цепи. Это может быть однородный проводник, например спираль электроплитки, обмотка электродвигателя холодильника.

Пусть за время Δt через поперечное сечение проводника проходит заряд Q. Тогда электрическое поле совершит работу A=QU, т.к. I=Q/Δt ( Q= IΔt; A=IΔt U,

A=IUΔt.

ВЫВОД: Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока на напряжение и на время в течении которого совершалась работа.

Согласно закону сохранения энергии эта работа должна быть равна изменению энергии рассматриваемого участка цепи. Поэтому энергия, выделяемая на данном участке цепи за время Δt, равна работе тока.

  • Если никаких движущихся проводников на участке нет, то увеличивается внутренняя энергия участка цепи.
  • В однородном проводнике увеличение внутренней энергии означает повышение его температуры.
  • Действительно, проводник с током нагревается и отдает теплоту окружающим телам.
  • Проблема: Каким образом это происходит?

Электрическое поле ускоряет электроны. После столкновения с ионами кристаллической решетке они передают ионам свою энергию. В результате энергия хаотического движения около положения равновесия возрастает.

Это и означает увеличение внутренней энергии. Температура проводника повышается, и он начинает передавать теплоту окружающим телам.

Спустя небольшое время после замыкания цепи процесс устанавливается и температура перестает изменяться со временем.

К проводнику за счет работы электрического поля непрерывно поступает энергия. Но его внутренняя энергия остается неизменной, т.к. проводник передает окружающим телам количество теплоты равное работе тока.

  1. Таким образом, формула A=IUΔt для работы тока определяет в случае однородного проводника количество теплоты, передаваемое проводником другим телам.
  2. б) Сформулируйте закон Ома для участка цепи I=U/R.
  3. Это значение силы тока используется в формуле для работы тока A=IUΔt= (U/R) U Δt =(U2 /R ) Δt; A=(U2 /R ) Δt.
  4. Выразить напряжение через силу тока, используя также закон Ома для участка цепи и это выражение применим в формуле A=IUΔt; I=U/R → U=IR; A= IUΔt → A=I2 RΔt.

Необходимо считать, что формулы A=( U2/R) Δt; A= I2RΔt эквивалентны. Формулой A=I2 RΔt удобно пользоваться для последовательного соединения проводников, т.к. сила тока одинаково во всех проводниках.

При параллельном соединении удобна формула A=(U/R)Δt, т.к. напряжение на всех проводниках одинаково.

в) Закон определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду был впервые установлен экспериментально английским ученым Д. Джоулем (1818-1889) и русским ученым Э. Х. Ленцем (1804-1861).

Закон Джоуля -Ленца был сформулирован следующим образом: Количество теплоты выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику: Q= I2 RΔt.

ВЫВОД: Мы получили этот закон с помощью рассуждений, основанных на законе сохранения энергии. Формула Q=IRΔt позволяет вычислить количество теплоты выделяемое на любом участке цепи содержащим какие угодно проводники.

г) Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока очень важное значение имеет понятие мощности тока. Мощность тока равна отношению работы тока за время Δt к этому интервалу времени. Р=А/Δt=IU.

  • Это выражение переписываем в нескольких эквивалентных формах, если использовать закон Ома для участка цепи: Р=IU= I2R= U2 /R;
  • Работа, произведенная в единицу времени называется МОЩНОСТЬЮ.
  • Мощность измеряется прибором ваттметром, единицы измерения называются ваттами.
  • Кроме Ватта применяются более крупные единицы мощности.
  • 100Вт=1гВт
  • 1000Вт= 1кВт
  • 100000 Вт=1МВт
  • Для практических измерений электрической работы (энергии) Джоуль является слишком мелкой единицей.
  • Если время подставить не в секундах, а в часах, то получим более крупные единицы электрической энергии.
  • A=PΔt
  • 1 Дж = 1 Вт с
  • 1Вт ч= 3600 Вт с=3600 Дж
  • 100 Вт ч=1 г Вт ч
  • 1000Втч=1кВтч
  • Электрическая энергия измеряется счетчиком электрической энергии.

ВЫВОД: На большинстве приборов указано потребляемая ими мощность. Прохождение по проводнику электрического тока сопровождается выделением на нем энергии.

Эта энергия определяется работой тока: произведением перенесенного заряда и напряжением на концах проводника.

д) Все проводники при прохождении по ним электрического тока нагреваются и отдают тепло окружающей среде (воздуху, жидкости, твердому телу).

Температура проводника будет повышаться до тех пор, пока количество теплоты полученное проводником не станет равным количеству тепла отдаваемому проводником окружающей среде. При этом температура достигает установившегося значения.

  1. Тепло, выделяемое током, используется в электрических печах и аппаратах прямого нагрева для процесса графитизации электродов, стекловаренной промышленности, в штамповочно-ковочном производстве, для нагрева труб, деталей цилиндрической формы.
  2. В технике тегильные и муфельные печи, сушильные печи, шкафы.
  3. Электрические нагревательные приборы получили очень большое распространение в домашнем быту (утюги, кипятильники, обогреватели, кофемолка, электросамовары, миксеры).
  4. Основной частью электроплит, электросамоваров, электрочайников является проводник, в котором выделяется тепло, когда по нему течет ток.

Чаще всего проводник делают в виде спирали, которую укладывают в жаростойкие или огнеупорные основания, например из керамики и асбеста. Материалом для спиралей нагревающихся в воздухе обычно служат никром, т.е. для спиралей электроплит, т.к. спираль электрочайников, электросамоваров опускается в воду, то в этом случае для спиралей используют проволоку из реотана или никеля.

Проблема: Как вы думаете, что произойдет, если пропустить по таким спиралям ток, вынув их из воды?

(Они перегорают, т.к. воздух обладает меньшей теплопроводностью, чем вода, и поэтому воздух не может быстро уводить выделяющееся тепло).

IV. Закрепление материала (20 мин).

  • При закреплении используется поурочная карта.
  • Поурочная карта
  • Тема: Работа и мощность электрического тока.

Закон Джоуля-Леща. Тепловое действие тока.

Основные знания и умения.

  1. Знать и уметь применять в решении задач формулы работы, мощности и закона Джоуля-Ленца.

  2. Уметь рассчитывать стоимость электроэнергии.

  3. Знать назначение и принцип действия плавких предохранителей.

Задание I.

Прочтите следующий текст.

Как известно, все тела состоят из молекул, и эти молекулы не находятся в покое, а непрерывно движутся. Чем выше температура, тем быстрее движение молекул, вещества этого тела.

  1. (При прохождении электрического тока по проводнику электроны сталкиваются с движущимися молекулами проводника и усиливают их движение, что приводит к нагреву проводника.
  2. Повышение температуры проводника происходит в результате преобразования электрической энергии в тепловую.)
  3. Задание П.
  4. Вывести выражение для работы электрического тока.

1. В цепи представленной на рис.1 приложено постоянное напряжение U, за время Δt по цепи протекало количество электричества q. Силы электрического поля, действующие вдоль проводника, перенесли заряд q из точки А в точку В. работа электрических сил поля, или что то же, работа электрического тока может быть посчитана по формуле А = q (φв — φа) = q U.

  1. В последнюю формулу поставьте формулу для определения заряда q =IΔt, то получите А = U IΔt.

  2. В данную формулу подставьте значение напряжения согласно закона Ома для участка цепи U =IR, тогда получите формулу А = I2 RΔt — удобно пользоваться при последовательном соединении; А = (U 2/R) Δt — при параллельном соединении. Эти формулы эквивалентны.

  3. ЕТепловые действия электротоков: формуладиницы измерения работы — Дж.

  • 1 Дж = 1 Вт с
  • 1 Вт ч = 3600 Ватт секунд = 3600 Дж
  • 100 Вт ч = 1 гектоват час (гВт ч)
  • 1000Вт ч= 1 киловат час (кВт ч)
  • Рис.1
  • ЗТепловые действия электротоков: формулаадание III.
  • Ввести формулы для подсчета мощности электрического тока.
  1. Р-мощность электрического тока. Согласно определению Р = A/Δt;

  2. Подставьте в формулы для мощности А = U IΔt, получите Р =( UI Δt)/ Δt =U I, Р = U I;

  1. Используя закон Ома для участка цепи выразите напряжение и подставьте в конечную формулу: I = U/R;

  2. U = I R; Р = I U = I I R = I2 R; P = I2 R.

  3. Подставьте закон Ома I = U/R в формулу

  4. Р = UI. Получите Р = U2 /R;

  5. Единицы измерения мощности — Вт. 100 Вт — 1 гектоватт (г Вт); 1000 Вт — 1 киловатт (кВт); 1000000 Вт — 1 мегаватт (мгВт).

  6. Заполните таблицу:

ЗаданиеIV.

  1. Величина
  2. Обозначение
  3. Единицы
  4. измерения
  5. Формулы
  6. Количество электричества
  7. q
  8. Кл
  9. q=IΔt
  10. Сила тока
  11. Напряжение
  12. Работа эл. тока
  13. Мощность
  • Аналогично для мощности.
  • Задание V.
  • Заполните структурно-логическую схему.
  1. формулы для определения работы;

  2. единицы измерения;

  3. график зависимости силы тока от приложенного напряжения;

  4. формула для определения стоимости электроэнергии;

  5. прибор для измерения работы.

Тепловые действия электротоков: формула

  1. Задание VI.
  2. Определите мощность, определяемым электрическим двигателем, если ток в цепи равен 8 А, а двигатель включен в сеть с напряжением 220 В.
  3. Задание VII.
  4. Определите энергию, расходуемую электрической плиткой мощностью 600 Вт в течении 5 ч.
  5. Определить энергию расходуемую электрической плиткой мощностью 600 Вт в течении 5 часов.
  1. Подведение итогов. (4 мин)

  • Выводы.
  • VI. Домашнее задание (4 мин)
  • 1) Узнайте и запишите паспортные данные электродвигателя, холодильника, пылесоса, миксера, кофемолки.

2) Зафиксируйте показания счетчика, повторно снимите через два дня. Определите потребляемую энергию и рассчитайте ее стоимостьЗадание VIII.

а) снимите показание счетчика и через 7 дней повторите снятие показаний, затем посчитайте израсходованную энергию вашими бытовыми приборами и стоимость электроэнергии;

б) узнайте и запишите паспортные данные электродвигателя, холодильника, пылесоса, миксера, кофемолки. Что означают эти данные?

Источник: https://infourok.ru/urok-teplovoe-deystvie-toka-zakon-dzhoulyalenca-rabota-i-moschnost-elektricheskogo-toka-516918.html

§ 14. Тепловое действие тока

Выделение тепла при прохождении электрического тока. При
прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.

Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I2, сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Q = I2Rt (34)

Читайте также:  Цифровые оптические аудиокабели: технические характеристики звуковых кабелей

Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Из сравнения формул (29) и (34) следует, что количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.

Тепловые действия электротоков: формула

Допустимая сила и плотность тока. Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике. Оно происходит, например, в различных производственных и бытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электроплитах, электрических паяльниках и пр.

), в электрических лампах накаливания, аппаратах для электрической сварки и пр. Однако во многих электрических устройствах, например в электрических машинах и аппаратах, электрических проводах и т. д.

, превращение электрической энергии в тепло вредно, так как это тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плотности тока J (сила тока I, приходящаяся на 1 мм2 площади s поперечного сечения проводника):

J = I/s (35)

Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь
или алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр. Например, допустимая плотность тока в проводах обмоток электрических машин не должна превышать 3—6 А/мм2, в нити осветительной электрической лампы — 15 А/мм2.

В проводах силовых и осветительных сетей плотность тока может быть различной в зависимости от площади поперечного сечения провода и его изоляции.

Например, для медных проводов с резиновой изоляцией и площадью поперечного сечения 4 мм2 допускается плотность тока 10,2 А/мм2, а 50 мм2 — только 4,3 А/мм2; для неизолированных проводов тех же площадей сечения — 12,5 и 5,6 А/мм2.

Уменьшение допустимой плотности тока при увеличении площади поперечного сечения провода объясняется тем, что в проводах с большей площадью сечения отвод тепла от внутренних слоев затруднен, так как сами они окружены нагретыми слоями. Для неизолированных проводов допускается большая температура нагрева, чем для изолированных.

Превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электрических сетей обугливается и даже горит, что может привести к короткому замыканию и пожару. Неизолированные же провода могут при высокой температуре расплавиться и оборваться.

Для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание. Для этой цели в технике широко используют плавкие предохранители, автоматические выключатели и другие устройства.

Нагрев в переходном сопротивлении. Повышенный нагрев проводника, как следует из закона Ленца — Джоуля, может происходить г не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника.

Поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения отдельных проводников. При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников (рис.

32) электрическое сопротивление в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла.

В результате место неплотного соединения проводников будет представлять собой опасность в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к полному выгоранию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при соединении проводов на э. п. с. и тепловозах концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, ко-

Рис. 32. Схемы выделения тепла и возникновения искрения при неплотном электрическом контакте

торые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических машин и аппаратов. Специальные меры принимают и для уменьшения переходного сопротивления между контактами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.

Тепловые действия электротоков: формула

Источник: https://electrono.ru/elektricheskaya-cep-i-ee-osnovnye-zakony/14-teplovoe-dejstvie-toka

Тепловое действие тока | основы ремонта

Тепловые действия электротоков: формула

Под действием электрического тока, проходящего по проводнику, последний нагревается, причем прогрев проводника оказывается тем большим, чем больше сила тока, протекающего по нему, и чем больше сопротивление.

Заработай на кэшбэке делясь товаромВперед

Короткие ссылки с оплатой за переходыВперёд

  • Можно легко убедиться в том, что обладающий малым сопротивлением провод, с помощью которого осветительная лампочка присоединяется к источнику тока, практически не нагревается, в то время как нить лампочки, имеющая сравнительно большое сопротивление, раскаляется добела.
  • Количество тепла, которое выделяется в проводнике при прохождении по нему электрического тока, определяется по формуле закона Ленца- Джоуля.
  • Тепловые действия электротоков: формула
  • где    Q – количество тепла, Дж;
  • I – сила тока, А;
  • R – сопротивление, Ом;
  • T – время, с.
  • Если количества тепла надо выразить в калориях, то полученное значение Q необходимо умножить на 0,24.

Каждый проводник может, не перегреваясь, пропускать ток, сила которого не превышает некоторой допустимой величины, её определяют плотностью тока, т.е. силой тока, приходящейся на 1мм2 площади поперечного сечения проводника.

  1. Так, например, допустимая плотность тока в шнуре осветительной лампы не должна превышать 5 А/мм2,
  2. в обмотке паяльника — 10 А/мм2, в нити осветительной электрической лампочки — 15 А/мм2.
  3. Превышение допустимой плотности тока  может вызвать нежелательные последствия (например, в осветительной проводке начнет обугливаться и гореть изоляция, что может привести к пожару; в электролампе расплавится нить и лампа перегорит).

Для того чтобы предотвратить превышение допустимой плотности тока в электрических цепях, в технике широко используются плавкие предохранители, включаемые в электрическую цепь последовательно. В тех случаях, когда плотность тока превышает допустимую, проволока или пластинка, из которой сделан предохранитель, расплавляется, разрывая тем самым цепь.

В зависимости от назначения предохранители имеют разное конструктивное оформление и изготовляются на

различные рабочие токи — от сотен миллиампер до сотен ампер. Значение силы номинального тока, на которую рассчитан предохранитель, обычно указывается на нем. Предохранитель может выдерживать такой ток в течение длительного времени.

  • Иногда в электрической цепи вследствие неисправности каких-либо ее элементов плотность тока может
  • достигать чрезвычайно больших значений, происходит так называемое короткое замыкание. Это имеет место,
  • например, когда к источнику тока вместо нормальной нагрузки оказывается присоединенным очень малое сопротивление. Если в цепь источника тока не включены предохранители или используются предохранители, рассчитанные па силу тока, значительно превышающую

по величине нормальный ток для данной цепи, то короткое замыкание, как правило, приводит к серьезным авариям-повреждению источника тока, проводки, электроизмерительной аппаратуры (счетчиков, амперметров) и т.п.

В результате короткого замыкания может произойти так же загорание изоляции проводов.

Источник: https://remosnov.ru/teplovoe-deystvie-toka/

Электрические явления

Тепловые действия электротоков: формула Автор Плис Валерий Иванович 152 статьи

В электрической цепи, подключённой к источнику, возникают электрические силы, действующие на носители зарядов и приводящие их в движение. Пусть под действием электрической силы `F` частица, несущая заряд `q`, переместилась вдоль проводника из точки `1` в точку `2`, а сила `F` совершила над заряженной частицей работу `A_(12)`. Отношение работы `A_(12)` электрической силы над зарядом `q` при перемещении его из точки `1` в точку `2` к самому заряду $$ q$$ называют электрическим напряжением между точками `1` и `2`:

Единицей измерения напряжения в СИ является вольт (В).

За один вольт принимается напряжение на концах проводника, при котором работа сил электрического поля по перемещению через этот проводник заряда в один кулон равна одному джоулю.

Эта единица  названа в честь итальянского физика А. Вольта, который в 1800 г. изобрёл электрическую батарею и впервые получил с её помощью постоянный ток, устойчиво поддерживавшийся в электрической цепи. Это открытие ознаменовало начало новой эпохи, полностью преобразившей нашу цивилизацию: современная жизнь немыслима без использования электрического тока.

В соотношении (3) индексы `1` и `2` можно опустить, если помнить, что `1` – это точка «старта», `2` – точка «финиша».

Зная напряжение `U` на концах проводника и силу тока `I`, текущего в проводнике в течение времени `t` постоянного тока, вычислим заряд `q=I*t`, который протечёт за указанное время по проводнику. Тогда за это время силы электрического поля в проводнике совершат работу

Это позволяет судить о скорости совершения работы электрическими силами, т. е. о мощности, развиваемой силами электрического поля. Из (4) следует, что в проводнике, напряжение на концах которого равно `U`, а сила тока `I`, силы электрического поля в единицу времени совершают работу

Напомним, что единицей измерения мощности в СИ служит ватт (Вт).

Очень часто работу и мощность электрических сил называют соответственно работой и мощностью электрического тока, тем самым подчёркивают, что это работа по поддержанию электрического тока в цепи.

Работа электрического тока может идти на изменение механической и внутренней энергий проводника. Например, в результате протекания электрического тока через электродвигатель его ротор (подвижная часть, способная вращаться, в отличие от статора) раскручивается.

При этом большая часть работы электрических сил идёт на увеличение механической энергии ротора, а также других тел, с которыми ротор связан теми или иными механизмами.

Другая часть работы электрического тока (в современных электродвигателях один – два процента) идёт на изменение внутренней энергии обмоток двигателя, что приводит к их нагреванию (обмотка электродвигателя представляет собой катушку, изготовленную обычно из меди, с большим числом витков).

Обсудим тепловое действие электрического тока более подробно. Из опыта известно, что электрический ток нагревает проводник.

Объясняется это явление тем, что свободные электроны в металлах, перемещаясь под действием сил электрического поля, взаимодействуют с ионами вещества и передают им свою энергию.

Читайте также:  Технические характеристики и расшифровка кабелей вббшв

В результате увеличивается энергия колебаний ионов в проводнике, его температура растёт, при этом говорят, что в проводнике за некоторое время `t` выделяется количество теплоты `Q_(«тепл»)`.

Если проводник с током неподвижен и величина тока постоянна, то работа электрических сил идёт на изменение внутренней энергии проводника. По закону сохранения энергии это количество равно работе сил электрического поля (4) в проводнике за то же самое время,      т. е.

Отсюда мощность `P` тепловыделения, т. е. количество теплоты, выделяющейся в единицу времени на участке цепи, где напряжение равно `U`, а сила тока равна `I` составляет

Источник: https://zftsh.online/course/1569/23-elektricheskoe-napryazhenie-rabota-i-moshnost-elektricheskogo-toka-teplovoe-dejstvie-toka

Тепловые действия электротоков: формула

Основы практической электроники для новичков

Пути совершенствования: микроминиатюризация и микросхемотехника. Практическая электроника для начинающих: основы и азы. Основные разделы и направления электроники как науки. Вакуумные среды и твёрдые тела….

01 02 2020 4:52:29

В чем измеряются единицы емкости конденсаторов

Единица измерения емкости в системе С И и других системах. Фарады через основные единицы системы. Определение кратных единиц ёмкости. Таблица перевода дольных единиц. Маркировка конденсаторов. Кодировка больших по размерам устройств…

24 01 2020 16:23:39

Определение постоянного и переменного электрического тока

Понятие о постоянном и переменном токе. Сравнительные характеристики постоянного и переменного токов. Постоянный и переменный ток: различия при транспортировке. Достоинства и недостатки переменных и постоянных электротоков….

21 01 2020 19:16:34

Пульт дистанционного управления или пду

Принцип работы П Д У. Варианты и назначение пультов дистанционного управления. Программируемые П Д У и работа с ними. Как запрограммировать универсальный пульт. Какими устройствами можно управлять с помощью программируемого П Д У….

16 01 2020 6:37:39

Определение полезной мощности источника тока физической формулой

Полезная мощность: какую энергию называют полезной, по какой формуле она высчитывается. Потери внутри источника питания и внутреннее сопротивление. Энергия Р и К П Д. Коэффициент полезного действия нагрузки. Измерение мощности источника тока….

11 01 2020 21:38:26

Измерение единицы работы силы в физике

Физические термины и терминология. Работа сил, приложенных к системе материальных точек. Работа силы — измерение в физике. Влияние на силу электрического тока физических величин: напряжений и сопротивлений….

09 01 2020 9:19:54

Сравнение стабилизаторов напряжения: релейный или электромеханический

Какой стабилизатор напряжения лучше: релейный или электромеханический? Релейные стабилизаторы: функционирование релейных систем, конструктивные особенности, достоинства и недостатки. Виды электромеханических стабилизаторов. Принцип регулировки и конструкция….

06 01 2020 12:35:57

Разветвители для телевизионного кабеля: какие бывают

Какие разветвители для Т В антенны лучше использовать для разделения сигнала на 2, 3 и 4 телевизора. Что такое тройник для телевизионной антенны. Как правильно выбрать краб для антенны для телевизора. Принцип работы сплиттера для спутниковой антенны….

04 01 2020 8:13:46

Расшифровка и технические характеристики ВББШВНГ-кабеля

Расшифровка и технические характеристики кабеля В Б Б Ш В Н Г. Маркировка жил на основе алюминия согласно Г О С Т. В Б Б Ш В Н Г-кабель: области применения, правила монтажа и эксплуатационный срок. Конструкция провода В Б Б Ш В Н Г….

29 12 2019 14:50:41

Металлоискатель: основные принципы действия металлодетектора

Определение металлоискателя. Металлоискатель: принцип работы прибора. Комплектующие изделия и их назначение. Электронный чувствительный контур, управляющий узел. Типы металлоискателей и различия в принципе действия. Ручная и автоматическая настройка металлодетекторов….

27 12 2019 10:32:21

Проверка сопротивления резистора с помощью мультиметра

Признаки повреждения резисторов. Проверка сопротивления мультиметром. Порядок проверки «подозрительного» резистора. Переменный резистор: правила проверки (прозвона). Измеряем позистор. Мультиметр: правила эксплуатации….

11 12 2019 13:33:35

Электромагниты переменного электрического тока и другие мощные магниты

Как работает электромагнит? Изготовление электромагнита 12в. в домашних условиях. Преимущества использования электромагнитов переменного тока. Расчеты изготовления магнитов для переменного и постоянного токов. Находим применения электромагниту в телевизорах, трансформаторах и пусковых устройствах автомобиля….

06 12 2019 10:33:11

Перечень средств относящихся к средствам индивидуальной защиты

Определение средств индивидуальной защиты. Меры по снижению влияния вредных факторов, снижения степени опасности и предотвращения несчастных случаев. Перечень и классификация С И З. Порядок приобретения и выдачи, ответственность за использование….

05 12 2019 12:57:55

Законы последовательного и параллельного соединения проводников

Применение различных типов соединений в электрических цепях в зависимости условий. Преимущество параллельного соединения проводников. Законы последовательной и параллельной цепей. Примеры использования различных видов соединения проводников….

26 11 2019 10:39:24

Бездоговорное потребление элетроэнергии

Использование безучетной электроэнергии это незаконно, за такое использование энергии существует ответственность и последствия для потребителя….

15 11 2019 17:46:29

Монтаж встраиваемых и выдвижных розетки

Функционал места жительства сейчас на первом месте, именно поэтому стоит установить у себя выдвижные розетки их разновидности поражают воображение….

11 11 2019 10:14:35

Характеристики аккумуляторной батареи 18650

Устройство и параметры А К Б-18650. Защитная электронная плата аккумуляторной батареи 18650. Аккумулятор А К Б18650: выбор производителей лучшей батарейки. Механическая защита, емкость и токоотдача аккумулятора….

26 10 2019 19:48:41

Счетчик электроэнергии старого образца

Счётчики старого и нового образца их отличие. Типы устаревших счётчиков. Для начала нужно разобраться какие, вообще, бывают счётчики….

17 10 2019 3:11:41

Зарядное устройство для аккумулятора 18650

Аккумуляторная батарея 18650: преимущества и недостатки, маркировка аккумулятора. Определение эффекта памяти аккумуляторных батарей. Порядок заряда А К Б-18650. Схемы зарядных устройств для аккумуляторов типа 18650….

28 09 2019 12:38:15

Источник: https://flatora.ru/electro/7941.php

Тепловое действие тока

Электрический ток, проходя через любой проводник, сообщает ему некоторое количество энергии. В результате этого проводник нагревается. Передача энергии происходит на молекулярном уровне, т. е., электроны взаимодействуют с атомами или ионами проводника и отдают часть своей энергии.

Данное явление подтверждается различными опытами, которые говорят о том, что вся работа, которую совершает ток, переходит во внутреннюю энергию проводника, она в свою очередь увеличивается. После этого уже проводник начинает отдавать её окружающим телам в виде тепла. Здесь уже в дело вступает процесс теплопередачи, но сам проводник нагревается.

Этот процесс рассчитывается по формуле: А=U·I·t

А – это работа тока, которую он совершает, протекая через проводник. Можно также высчитать количество теплоты, выделяемое при этом, ведь это значение равно работе тока. Правда, это касается, лишь неподвижных металлических проводников, однако, такие проводники встречаются чаще всего. Таким образом, количество теплоты, также будет высчитываться по той же форме: Q=U·I·t.

История открытия явления

В своё время свойства проводника, через который протекает электрический тока, изучали многие учёные. Особенно среди них были заметны англичанин Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Каждый из них проводил свои собственные опыты, а вывод они смогли сделать независимо друг от друга.

На основе своих исследований, они смогли вывести закон, который позволяет дать количественную оценку выделяемого тепла в результате воздействия электрического тока на проводник. Данный закон получил название «Закон Джоуля-Ленца».

Джеймс Джоуль установил его в 1842 году, а примерно через год Эмиль Ленц пришёл к тому же выводу, при этом их исследования и проводимые опыты никак не были связаны друг с другом.

Применение свойств теплового действия тока

Исследования теплового воздействия тока и открытия закона Джоуля-Ленца позволили сделать вывод, подтолкнувший развитие электротехники и расширить возможности применения электричества. Простейшим примером применения данных свойства является простая лампочка накаливания.

Устройство её заключается в том, что в ней применяется обычная нить накаливания, сделанная из вольфрамовой проволоки. Этот металл был выбран не случайно: тугоплавкий, он имеет довольно высокое удельное сопротивление. Электрический ток проходит через эту проволоку и нагревает её, т. е. передаёт ей свою энергию.

Энергия проводника начинает переходить в тепловую энергию, а спираль разогревается до такой температуры, что начинает светиться. Главным недостатком такой конструкции, конечно, является то, что происходят большие потери энергии, ведь только небольшая часть энергии преобразуется в свет, а остальная уходит в тепло.

Для этого вводится такое понятие в техники, как КПД, показывающее эффективность работы и преобразования электрической энергии. Такие понятия как КПД и тепловое воздействие тока применяются повсеместно, так как существует огромное количество приборов основанных подобном принципе.

Это в первую очередь касается нагревательных приборов: кипятильников, обогревателей, электроплит и т. д.Как правило, в конструкциях перечисленных приборах присутствует некая металлическая спираль, которая и производит нагревание.

В приборах для нагревания воды она изолирована, в них устанавливается баланс между потребляемой из сети энергией (в виде электрического тока) и тепловым обменом с окружающей средой.В связи с этим, перед учёными стоит нелёгкая задача по снижению потерь энергии, главной целью является поиск наиболее оптимальной и эффективной схемы.

В данном случае тепловое воздействие тока является даже нежелательным, так как именно оно и ведёт к потерям энергии. Самым простым вариантом является повышение напряжения при передаче энергии. В результате снижается сила тока, но это приводит к снижению безопасности линий электропередач.

Другое направление исследований – это выбор проводов, ведь от свойств проводника зависят и тепловые потери и прочие показатели. С другой стороны, различные нагревательные приборы требуют большого выделения энергии на определённом участке. Для этих целей изготавливают спирали из специальных сплавов.

Для повышения защиты и безопасности электрических цепей применяются специальные предохранители. В случае чрезмерного повышения тока сечение проводника в предохранителе не выдерживает, и он плавится, размыкая цепь, защищая, таким образом, её от токовых перегрузок.

 

Похожие материалы

Источник: http://volt220.ru/index.php/bases/98-thermal-action-current.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector